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鈦液泵軸封的失效原因及改進設計
論文摘要：在對鈦液泵原有軸封的失效原因進行分析和實驗研究的基礎上，篩選出適合的摩擦副材料，并提出了兩種結構的改進設計方案，經生產運行試驗結果證明，改進后的軸封比原有軸封壽命提高4～6倍，在保證內沖洗的條件下，其壽命還可進一步提高。
Reasons for Failure and Improve Design of Rotating Axial Seal in Titanium Dioxide Processing Pump
Dong Zongyu et al
Reasons for failure of original axial seal in titanium dioxide processing pump were analyzed.On the experimental investigation basis，suitable materials of a pair of friction components were selected，two improved design constuctions were used for industrial test，the result indicates that operating life of improved rotating axial seal is 4～6 times longer than original one.Operating life will be much longer.
Keywords：titanium dioxide processing pump，seal，reasons for failure，improve design
1前言
攀鋼鈦白粉廠采用濃硫酸分解鈦鐵礦粉的工藝路線生產二氧化鈦，在其生產流程中有一系列鈦液泵，由于鈦液具有強烈的腐蝕性，且含有固體微粒［1］，致使泵的過流部件和密封元件受到腐蝕和磨損的雙重作用而極易損壞或出現異常故障，密封元件頻繁更換，并且嚴重污染環境。幾年來，該廠鈦液泵軸封的平均壽命都只有50h左右。顯然，無論從降低生產成本或減少環境污染來說，這都是急待解決的問題。
2原有軸密封存在的問題
該廠各工序用鈦液泵均采用FSP型耐腐蝕泵，原配置的軸密封結構如圖1所示。該軸封為單端面外裝、外裝式機械密封。氮化硅(Si3N4)靜環用壓蓋固裝于泵體法蘭上，填充聚四氟乙烯動環以過盈方式鑲嵌于純聚四氟乙烯波紋管的環形端面凹槽中。由壓緊環通過彈簧座內端面將波紋管底面固定于葉輪軸上，使其隨軸旋轉并同時壓縮彈簧，對密封端面加載。靜環壓蓋背面上方開有徑向溝槽與外接自來水管相通，以沖洗、冷卻密封面外周。
圖1FSP泵原用密封結構
(1)密封面磨損和變形嚴重當停車后再次起動時，鈦液中析出的結晶顆粒和其它固體雜質會引起密封面的磨粒磨損，而原密封端面采用氮化硅/填充聚四氟乙烯的材料組對，二者在鈦液中雖然都有較好的耐蝕性，但其摩擦磨損特性不佳，尤其是填充聚四氟乙烯，其減摩性好，但不耐磨，當密封間存在硬粒時，硬粒易嵌入材料表面，在相對滑動過程中對材料表面起切削作用，致使光潔平直的密封面出現多道溝槽狀磨痕。再者，聚四氟乙烯在外力作用下極易產生“冷流”而變形［2］，特別是外流式結構，為了補償密封環端面磨損后仍保持貼合所需的密封力，往往在初裝機械密封時，有意增大彈簧壓緊力，致使端面比壓過大造成填充聚四氟乙烯密封環嚴重變形和過度磨損，這是導致密封過早失效的重要原因。
(2)波紋管的補償性能喪失原有密封采用的聚四氟乙烯波紋管結構，其波紋斷面形狀為矩形且波數多，波間距小，雖然加工方便，軸向補償性能也較好，但對于含固體結晶微粒的介質，一旦微粒沉入波紋管凹槽中就很難排出，將嚴重影響波紋管的軸向彈性補償性能而導致密封失效。
(3)輔助密封功能降低外裝外流彈簧旋轉式機械密封結構，當采用聚四氟乙烯或橡膠波紋管做動環輔助密封時，通常依靠外加壓緊力或過盈配合使波紋管尾部緊貼軸套臺肩上或周向箍緊在軸套上以達到阻止流體沿軸向泄漏的目的。而動環或安裝動環的波紋和頭部最小內周直徑與軸套之間應有一定間隙，以保證動環端面磨損后能沿軸向浮動，同時有壓力的密封流體通過這一間隙進入動環密封面背部對密封端面可起自緊作用。但原有鈦液泵機械密封結構上沒有考慮這些問題，而且與葉輪制成一體的塑料軸套的外圓及波紋管內周的尺寸和形狀精度都較差，既不能作軸向補償，又不能使流體進入密封面背部，因此大大降低甚至完全喪失了波紋管輔助密封的功能。
(4)沖洗效果差原有密封設計的沖洗方法，是將自來水通過裝在靜環壓蓋上的接管和壓蓋背部的徑向槽沖向靜環和動環接觸面外周，以期達到沖洗和冷卻端面的目的。但這種結構，密封介質實際上是通過靜環內周與軸套間隙而進入密封面的，因此自來水沖洗僅僅將已通過端面泄漏的介質沖洗到地面，既起不到阻漏的作用，也不利于操作環境的改善。
3密封的改進設計
通過對運行過程中軸封泄漏現象的考察，及失效密封元件殘體的檢測，證實了上述的分析結論。為此，在不改動原泵主體結構的前提下，本文著重從篩選摩擦副材料、強化沖洗冷卻措施、完善補償機構的功能等幾方面進行了密封改造。
3.1摩擦副材料選擇
通過對碳化硅(SiC)、高硅鑄鐵、碳化鎢(WC-Co)、浸玻璃石墨等多種材料在鈦液中的靜態腐蝕試驗(見圖2)和石墨/SiC、石墨/WC-Co、石墨/Al2O3、填充聚四氟乙烯/SiC、填充聚四氟乙烯/WC-Co、填充聚四氟乙烯/Al2O3、WC-Co/SiC、WC-Co/WC-Co等多種材料組對的密封環在水介質中的摩擦特性試驗(見圖3)表明，碳化硅材料與其它幾種材料相比，在鈦液中的耐蝕性最好；各種材料組對在清水介質中的摩擦系數都較小，說明幾種材料組對都有較好的摩擦相容性［3］，而從幾種材料分別與石墨組對的磨損值隨PV值的變化曲線(見圖4)［4］來看，SiC最低。因此從綜合特性考慮，石墨/SiC組對比較合理，如果生產現場操作條件不能充分保證良好的沖洗條件以阻止固體粒子進入密封面，則選擇SiC/SiC的摩擦副材料組對更為適宜。
圖2幾種材料腐蝕結果
圖3幾種材料組對的摩擦系數
(介質：清水，平均滑動速度3.46m/s)
圖4幾種材料PV值-磨損曲線
對于外裝外流式機械密封，當被密封介質含固體顆粒時，若將壓力略高于被封介質壓力的沖洗冷卻液從外部管路系統引入靜環背面，既對含固體粒子介質起封堵作用，同時又對密封環面起潤滑冷卻作用，這對提高機械密封壽命是十分有效的。
由于受泵體結構不能變動的限制，既要達到上述沖洗冷卻目的，又要滿足靜環材料對鈦液的耐蝕性和耐磨性要求而需選用難加工的碳化硅陶瓷做靜環，只好將靜環設計成鈦環座與SiC環的組合結構。沖洗水由靜環外周接管沿徑向孔進入環的背面及內周，有效地達到封堵和潤滑端面的目的(見圖5)。
圖5改進后的密封結構
根據現場條件，設計了兩種方案，見圖5。
圖5(a)的方案Ⅰ是將碳化硅動環套裝于壓環內，構成組合式動環；波紋管的波形斷面設計成梯形；加載采用小彈簧結構。
圖5(b)的方案Ⅱ中摩擦副材料、靜環組合結構和沖洗冷卻方式與方案Ⅰ相同，波紋管的波形斷面了是采用梯形，不同的是碳化硅動環直接鑲嵌于聚四氟乙烯波紋管的端部環槽內，軸向伸出環槽3～4mm。
3.4端面比壓計算
已知鈦液泵的出口壓力最大為0.35MPa，密封腔的最高工作壓力P0.25MPa，泵的工作轉數n=2900r/min，工作溫度T≤60℃，軸套直徑d=50mm。端面比壓Pc按下式計算：
Pc=Ps+(K-λ)P
式中，彈簧比壓Ps，小彈簧結構Ps=0.518MPa；大彈簧結構Ps=0.369MPa；載荷系數K，小彈簧結構K=0.55；大彈簧結構K=0.27；液膜反壓系數λ≈0.5，計算結果：小彈簧結構Pc=0.531MPa，略偏大；大彈簧結構Pc=0.31MPa，較合適。
4現場運行試驗
將改進設計的小彈簧和大彈簧兩種結構的機械密封分別安裝在濃鈦液泵和稀鈦液泵上進行運轉試驗，由于現場試驗條件所限，大彈簧結構暫無內沖洗，靜環材料仍用整體氮化硅，動環材料為浸呋喃樹脂石墨。
試驗表明，改進后的密封在濃鈦液泵和稀鈦液泵上較原有密封的使用壽命分別提高了4～6倍。但由于現場沖洗水壓力低，未能充分發揮內沖洗的效能，大大限制了使用壽命的進一步提高。
5結論
(1)機械密封摩擦副材料原用Si3N4/填充聚四氟乙烯，不適用于鈦液介質條件。改為Si3N4/石墨后，壽命提高了4～6倍，但石墨磨損量仍偏高，改為SiC/SiC，壽命將會有更大提高。若充分發揮內沖洗作用，則SiC/石墨組對也可獲得較長壽命。
(2)根據鈦液泵的結構尺寸和工作參數，機械密封的彈性元件設計成大彈簧結構或小彈簧結構均可，但由于現場環境條件及泵的精度較低的實際情況，采用大彈簧結構更實用。
(3)波紋管斷面形狀由矩形改為梯形后，不僅受力狀態好，且不易沉積固體微粒，有利于充分發揮其彈性補償功能。
(4)用于含固體粒子介質的機械密封，內沖洗結構設計是提高密封壽命的技術關鍵。
作者簡介：董宗玉，女，副教授，長期從事流體密封與材料方面的科研和教學工作。
董宗玉（四川大學）
吳旨玉（四川大學）
王偉（四川大學）
陳匡民（四川大學）
楊穎志（攀鋼鈦白粉廠）
董英杰（攀鋼鈦白粉廠）
參考文獻
1，裴潤等.硫酸法鈦白生產.北京：化學工業出版社，1982
2，陳匡民.化工機械材料腐蝕與防護.北京：化學工業出版社，1990
3，陳匡民等.流體動密封.成都：成都科技大學出版社，1990
4，徐發祥等.機械密封手冊.南京：東南大學出版社，1990(end)
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